Ajuste de las propiedades del óxido mediante el control de vacantes de oxígeno durante el crecimiento y el recocido

Los materiales de óxido muestran muchas propiedades exóticas que pueden controlarse ajustando el contenido de oxígeno. Aquí, demostramos el ajuste del contenido de oxígeno en óxidos variando los parámetros de deposición de láser pulsado y realizando postrecocido. Como ejemplo, las propiedades electrónicas de las heteroestructuras basadas en SrTiO₃ se ajustan mediante modificaciones de crecimiento y recocido.

El método presentado aquí permite controlar la cantidad de vacantes de oxígeno en películas delgadas de óxido tanto durante como después de la deposición. Los principales avances de este enfoque es que las propiedades eléctricas y magnéticas se pueden ajustar modificando la cantidad de vacantes de oxígeno. Las vacantes de oxígeno sirven como defectos funcionales en la mayoría de los materiales de óxido, y las propiedades de muchos óxidos pueden, por lo tanto, controlarse sistemáticamente mediante ingeniería de defectos utilizando este enfoque.

Demostrando el procedimiento estarán Shinhee, Carlos y Eric, un post-doc y dos estudiantes de doctorado de nuestro laboratorio. Para comenzar, compre sustratos de titanato de estroncio de terminación mixta con un ángulo de superficie típico de 0.05 a 0.2 grados con respecto a los planos cristalinos. Limpie el número deseado de sustratos por ultrasonidos en acetona durante cinco minutos.

Luego ultrasonicar los sustratos durante 20 minutos a 70 grados centígrados en agua limpia, que disuelve el óxido de estroncio o forma complejos de hidróxido de estroncio en dominios superficiales terminados con óxido de estroncio, dejando sin cambios los dominios terminados en dióxido de titanio químicamente estables. Mientras tanto, prepare la solución de agua regia agregando lentamente ácido clorhídrico en agua y luego agregando ácido nítrico a la solución. A continuación, ultrasonicar los sustratos en una solución ácida que contenga ácido clorhídrico, ácido nítrico y agua a 70 grados centígrados durante 20 minutos en una campana extractora para grabar selectivamente el óxido de estroncio debido a la naturaleza básica de los dominios superficiales del óxido de estroncio, la acidez del dióxido de titanio y la presencia de los complejos de hidróxido de estroncio.

Elimine el ácido residual de los sustratos mediante ultrasonidos en 100 mililitros de agua limpia durante cinco minutos a temperatura ambiente en una campana extractora. Luego hornee los sustratos en una atmósfera de una barra de oxígeno durante una hora a 1, 000 grados centígrados con una velocidad de calentamiento y enfriamiento de 100 grados centígrados por hora en un horno de tubo de cerámica para relajar la superficie del sustrato en un estado con baja energía. Para depositar una película delgada sobre los sustratos, monte los sustratos en un calentador o portador de virutas, dependiendo de si se deben realizar mediciones de transporte de NC2 durante la deposición.

A continuación, coloque el sustrato terminado en dióxido de titanio a 4,7 centímetros del objetivo de alúmina cristalina única para una deposición típica de alúmina gamma en titanato de estroncio a temperatura ambiente. Prepárese para la ablación desde un solo objetivo de alúmina cristalina en una presión de oxígeno de 10 a la potencia menos cinco milibares. Ajuste las propiedades utilizando el contenido de oxígeno utilizando una presión de deposición de oxígeno en el rango de 10 a la potencia menos seis a 0,1 milibares, o variando otros parámetros de deposición.

Después de la incubación, observe el sustrato para el espesor deseado de la deposición de alúmina gamma. A continuación, retire la muestra de la cámara de deposición y detenga cualquier medición eléctrica. Luego almacene la muestra en el vacío.

La degradación de la muestra es más lenta cuando se almacena al vacío o en nitrógeno. Monte la muestra en un portachips con pasta de plata. Luego, conecte eléctricamente la muestra al portador de chips utilizando la unión de alambre de cuña de cables de aluminio en la geometría de Van der Pauw.

A continuación, coloque el portador de chips con la muestra en un horno cerrado. Luego, utilizando un conector y cables con aislamiento térmicamente resistente, conecte eléctricamente el portador de chips al equipo de medición y comience las mediciones de resistencia de la hoja. Luego coloque el portador de viruta equipado con la muestra en un horno cerrado y enjuague completamente con el gas utilizado para el recocido mientras verifica si la resistencia de la muestra es sensible a un cambio en la atmósfera.

Analice la muestra utilizando el perfil de recocido deseado, dependiendo del grosor de la película superior y la velocidad deseada de incorporación de oxígeno. Anule el recocido cuando se haya producido un cambio deseado en la resistencia de la hoja. Usando esta configuración, el desarrollo de la resistencia de la lámina en heteroestructuras de óxido como el titanato de estroncio de alúmina gamma y el titanato de estroncio de aluminato de lantano se puede monitorear in situ durante la deposición por láser pulsado.

Cuando se cambia el entorno de medición midiendo ex situ o mediante lavado de oxígeno in situ, se pueden observar cambios significativos en la resistencia de la lámina de las heteroestructuras basadas en titanato de estroncio. En muestras donde la alúmina gamma se deposita en el titanato de estroncio, la movilidad de los electrones permanece prácticamente sin cambios a temperatura ambiente, pero cambia drásticamente a dos Kelvin cuando se varía la presión de deposición. Las propiedades de las heteroestructuras de óxido también se pueden ajustar después de la deposición mediante recocido.

El estado final está determinado por el tiempo de recocido y la temperatura y atmósfera de recocido. Los conductores de láminas de heteroestructuras compuestas de titanato de estroncio cubierto con alúmina gamma o aluminato de lantano amorfo se miden a varias temperaturas de recocido. La disminución más rápida en la conductancia se observó para las heteroestructuras de titanato de estroncio de aluminato de lantano amorfo.

Para las heteroestructuras de titanato de estroncio, la densidad del portador se controla controlando el recocido y el oxígeno. Los pasos consecutivos de recocido dan como resultado una disminución constante de la densidad del portador y una transición de una interfaz conductora metálica a una interfaz aislante. Cambiar el estado conductor en la heteroestructura de titanato de estroncio puede permitir diferentes propiedades.

Aquí, los intentos de escribir nanocables usando un microscopio conductor de fuerza atómica no eran posibles antes del recocido. Sin embargo, después del recocido, las líneas conductoras se pueden escribir y borrar en la interfaz. Usando este enfoque, podemos cambiar sistemáticamente las propiedades magnéticas y electrónicas de las heteroestructuras de óxido, y de esta manera, estudiar el papel de las vacantes de oxígeno en la determinación de estas propiedades.